Einkristall-Elastizität von Mars-Mantelmineralen und ein flexibles CO2 Laserheizsystem

• Antragsteller: Dr. Alexander Kurnosov
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411764160

Das SEIS-Seismometer auf dem NASA-Lander InSight macht zunehmend Beobachtungen der seismischen Wellengeschwindigkeitsstruktur des Marsinneren verfügbar. Die Interpretation solcher Daten hängt entscheidend davon ab, die Mineralogie und die seismischen Geschwindigkeiten des Marsinneren zu modellieren, um plausible Zusammensetzungen und Temperaturgradienten zu testen. Bislang werden solche Modelle für den Marsmantel jedoch unter Verwendung von thermodynamischen Parametern erstellt, die entweder geschätzt oder nicht aus den neuesten Phasengleichgewichten und Elastizitätsdaten ermittelt wurden oder die zur Bestimmung der Zusammensetzung des Mars ungeeignet sind. Elastizitätsmessungen bei gleichzeitig hohen Druck- und Temperaturbedingungen sind rar, so dass die Daten für die meisten Minerale extrapoliert werden müssen, was erhebliche Unsicherheiten erzeugt.In der ersten Phase dieses Projekts wurde ein neues System zur Messung der Schallwellengeschwindigkeiten bei Drücken und Temperaturen entwickelt, die dem gesamten Marsmantel entsprechen. Das System, bei dem Brillouin-Spektroskopie in einer Laser-beheizten Diamantstempelzelle durchgeführt wird, wurde erfolgreich durch Messungen an Pyrop-Einkristallen getestet. Durch Kombination dieser Daten mit weiteren Messungen an Fe-reichem Ringwoodit und neueren Daten aus der Literatur wurde ein mineralphysikalisches Modell für die Basis des Marsmantels erstellt, das erhebliche Unterschiede zu früheren Modellen zeigt, die auf den Eigenschaften irdischer Materialien beruhen. Das neue Modell zur Interpretation einer prognostizierten Diskontinuität des Marsmantels bei 1140 km impliziert eine Temperatur von 1870-1970 K in dieser Tiefe.In der Folgephase werden simultane Einkristall-Röntgenbeugungsmessungen durchgeführt, um ein einzigartiges System zur Bestimmung des vollständigen elastischen Tensors eines jeden Minerals unter den Bedingungen eines beliebigen terrestrischen Planeten zu erhalten. Damit wird die Bestimmung der Elastizität der wichtigsten Marsminerale durch die Untersuchung von Fe-reichen Einkristallen von Majorit, Olivin und Klinopyroxen bei Drücken und Temperaturen des Marsmantels abgeschlossen. Mit diesen Daten wird ein in sich konsistentes thermodynamisches Modell entwickelt, das die Mineralogie und die seismischen Wellengeschwindigkeiten des Marsmantels mit deutlich geringeren Unsicherheiten vorhersagt. Dieses Modell wird nicht nur dazu dienen, die sich abzeichnenden Beobachtungen der seismischen Struktur des Mars zu interpretieren, sondern wird auch eine Abschätzung des Einflusses der seismischen Anisotropie auf die Beobachtungen des Marsinneren liefern. Darüber hinaus werden wir durch die Untersuchung von Mineralen, die aus verschiedenen Mischkristallkomponenten bestehen, ein zentrales Problem der Mineralphysik angehen, nämlich die Frage, ob die Eigenschaften von Zwischenzusammensetzungen effektiv durch lineare Kombinationen der Eigenschaften der Endglieder beschrieben werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr. Tiziana Boffa Ballaran; Professor Dr. Daniel J. Frost; Professor Dr. David Rubie